Baterías impresas 3D

Nuevas tintas y herramientas permiten la impresión en 3D de tecnología de ión-litio

POR MIKE ORCUTT TRADUCIDO POR LÍA MOYA

Habiendo conseguido hacer con tinta los componentes básicos de las baterías , la especialista en materiales de la Universidad de Harvard (EEUU) Jennifer Lewis está sentando las bases para que las baterías de ión-litio y otros componentes electrónicos de alto rendimiento se puedan producir con impresoras 3D.

Aunque la tecnología aún está en sus primeras fases, la posibilidad de imprimir baterías y otros componentes electrónicos podría dar lugar a la fabricación de nuevas clases de dispositivos. Imagina sensores biomédicos que generasen la energía que necesitan de forma autónoma, podrían pegarse a la piel y enviar las constantes vitales ininterrumpidamente a un smartphone. O los productos existentes se podrían producir de forma más sencilla y eficaz.

Tomemos como ejemplo las carcasas de plástico de los audífonos, que ya se imprimen en 3D para hacerlas a la medida del usuario. Pero la electrónica se fabrica por separado y las baterías suelen tener que sustituirse con cierta frecuencia. Si la electrónica y una batería recargable se imprimieran juntas, el producto final se podría fabricar con mayor rapidez y precisión.

(Izquierda): Para fabricar las tintas utilizadas para imprimir los ánodos de baterías de ión-litio, se añaden nanopartículas de óxido de litio titanio a un vial de agua desionizada y ethylene glycol.

(Derecha): Se añaden bolitas cerámicasa la mezcla para que muelan la mezcla, separando las partículas apelmazadas.

La mezcla se remueve durante 24 horas y, después, las bolitas 
y las partículas más grandes se retiran usando filtros y una centrifugadora.

Las puntas de las boquillas, hechas a medida y
 que pueden medir hasta un micrómetro en la salida
permiten crear patrones muy precisos.

Izquierda: La tinta resultante, introducida en una jeringuilla, ya está lista para usarse en una impresora 3D estándar.

Derecha: La jeringuilla se introduce en un dispensador azul de alta presión añadido a una impresora 3D convencional. La tinta es sólida en reposo pero fluye cuando se somete a altas presiones. Vuelve al estado sólido en cuanto sale de la jeringuilla.

Tinta blanca de ánodo aplicada sobre un sustrato de cristal. En la
 práctica se imprimiría sobre un colector de corriente de oro impreso
sobre el cristal. 

Siguiendo instrucciones digitales, una fina boquilla deposita
la tinta capa por capa para formar el cátodo de la batería.

Izquierda: Un micrógrafo muestra una batería impresa sobre un milímetro cuadrado, con ánodos y cátodos en una configuración en forma de dedo.

Derecha: Una serie de ánodos, cada uno de aproximadamente un milímetro cuadrado, espera el segundo paso: la impresión de los cátodos.

Lewis ha hecho dos avances importantes para conseguir la impresión de dispositivos electrónicos. Para empezar, ha inventado un arsenal de lo que ella denomina "tintas funcionales", capaces de solidificarse para crear baterías y componentes únicos, entre ellos electrodos, cables y antenas. En segundo lugar, ha desarrollado boquillas y extrusores de alta presión que imprimen las baterías y otros componentes mediante una impresora 3D industrial. Las tintas de Lewis usan nanopartículas suspendidas de los materiales que se quiere usar, por ejemplo compuestos de litio para las baterías y de plata para los cables. Estos materiales se mezclan en distintas soluciones, y las tintas resultantes son casi sólidas en reposo, pero fluyen cuando se les aplica cierta cantidad de presión. Una vez impresos, los materiales vuelven al estado sólido. Imprimir una batería con una única boquilla puede llevar varios minutos, pero la tecnología personalizada de impresión en 3D de Lewis es capaz de depositar tinta de cientos de boquillas al mismo tiempo.

La tecnología de impresión funciona a temperatura ambiente, no a las altas temperaturas que se suelen necesitar para trabajar con electrónica de precisión. Eso permite imprimir los materiales sobre plástico sin dañarlo. Los materiales de la batería no son revolucionarios en sí mismos, sostiene; "más bien se trata de una revolución en cómo se fabrican las cosas".

Sus baterías de ión-litio impresas pueden ser de, incluso, un milímetro cuadrado, pero funcionan igual de bien que las baterías comerciales porque Lewis es capaz de producir arquitecturas a microescala y posicionar las estructuras con una precisión de 100 nanómetros para imitar las estructuras de baterías mucho mayores.

El grupo de Lewis tiene ocho patentes para sus tintas y está trabajando en vender licencias y comercializar la tecnología en los próximos años. Aunque la investigadora afirma que el plan inicial es proporcionar herramientas a los fabricantes, puede que acabe produciendo una impresora de gama baja para los aficionados. (MIT)